Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
La refusion sous laitier électroconducteur (ESR) est un procédé qui permet le contrôle de la vitesse de solidification et l’affinage du métal liquide par un laitier.
Après avoir exposé les principes et applications du procédé ESR, les avantages et limites de cette voie d’élaboration seront discutés et comparés à d’autres procédés d’élaboration de lingots. Les principales variantes de fours ESR ainsi que le principe de la conduite d’une refusion seront présentés.
Enfin l’intérêt de la modélisation numérique du procédé comme outil d’aide au choix des paramètres opératoires sera illustré.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Alain JARDY : Directeur de Recherches au CNRS – Docteur en Sciences des Matériaux de l’Institut National Polytechnique de Lorraine - Institut Jean Lamour – UMR 7198 université de Lorraine/CNRS (Nancy, France)
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Stéphane HANS : Responsable du Département R&D – Élaboration et Coulée des Alliages – Docteur en Science et Génie des Matériaux de l’Institut National Polytechnique de Lorraine - Aubert & Duval (Les Ancizes, France)
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Sylvain CHARMOND : Ingénieur de Recherche – Docteur en Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés de l’Institut Polytechnique de Grenoble - Aubert & Duval (Les Ancizes, France)
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Alexandre DEVAUX : Responsable Service Métallurgie/Procédés – Docteur en Sciences des Matériaux de l’École des Mines de Paris - Aubert & Duval (Les Ancizes, France)
INTRODUCTION
Le procédé de refusion sous laitier électro-conducteur (procédé ESR pour Electro Slag Remelting) a été développé à partir des années 1960 pour accompagner les besoins des industries de l’aéronautique, de l’énergie et du nucléaire, en matériaux à valeur d’usage améliorée ou destinés à des applications critiques.
Le procédé est principalement utilisé pour la production de lingots d’aciers ou de superalliages et alimente le processus de transformation en demi-produits par forgeage ou laminage et la fabrication de produits finis pour de nombreux secteurs d’activité.
La capacité mondiale de lingots refondus ESR dépasse le million de tonnes par an.
Le contrôle de la vitesse de solidification et l’affinage du métal liquide par un laitier confèrent au lingot refondu une qualité améliorée par rapport au lingot primaire. Les aciers ou superalliages refondus se caractérisent par une haute propreté inclusionnaire, une très bonne compacité et homogénéité chimique.
Les avantages et limites de cette voie d’élaboration seront discutés et comparés aux procédés d’élaboration de lingots conventionnels ou au procédé de refusion à l’arc sous vide. Les principales nuances refondues sous laitier et les marchés associés seront présentés.
Le principe de la conduite de fusion est présenté et détaille les principaux leviers opératoires, ainsi que les compositions des laitiers couramment utilisés. Le choix de ces paramètres et le maintien de conditions de refusion stables conditionnent en grande partie la qualité finale des lingots produits. L’aspect technologique du procédé ESR est également abordé avec la présentation des différentes configurations de fours ESR.
Enfin, cet article traite de la modélisation du procédé. Les outils numériques développés permettent de décrire les mécanismes physiques complexes mis en jeu. Un état de l’art et les principes de validation des modèles sont abordés avant une présentation de différentes applications qui illustrent l’intérêt de ces outils pour aider le producteur à optimiser le choix des conditions opératoires.
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MOTS-CLÉS
laitiers aciers Four lingots solidification refusion superalliages inclusion ESR
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Pratiques de refusion et technologie des fours ESR
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2. Intérêt de la refusion sous laitier
2.1 Propreté inclusionnaire
La propreté inclusionnaire conditionne la qualité des produits élaborés (§ 2.5).
Pour les aciers et les superalliages, les inclusions les plus couramment observées sont des oxydes ou des carbonitrures dont la taille a un impact direct sur les caractéristiques mécaniques finales du produit.
On distingue généralement la micropropreté correspondant à la population la plus nombreuse des inclusions de faible taille (typiquement < 10 microns de diamètre équivalent), des macro-inclusions, ou amas inclusionnaires (typiquement de la centaine de microns jusqu’au millimètre), souvent à l’origine de fissuration du matériau lors de sa transformation à chaud.
La mésopropreté (typiquement de 10 µm à 100 µm) correspond à une taille intermédiaire et la densité de ces inclusions a généralement un fort impact sur l’endurance en fatigue.
La refusion ESR est réputée améliorer la propreté inclusionnaire. L’affinage du métal liquide par le laitier est très efficace pour éliminer les macro-inclusions par dissolution dans le laitier.
On observe également une amélioration significative de l’endurance en fatigue (§ 2.5) liée à une très faible densité de méso-inclusions et, dans une moindre mesure, une amélioration de la micropropreté.
La figure 3 illustre l’effet bénéfique de la refusion sous laitier sur la propreté d’un acier faiblement allié.
Les réactions d’élimination des inclusions non métalliques peuvent intervenir à toutes les interfaces du système (électrode/laitier/lingot). Au niveau de l’interface électrode/laitier, la température est supérieure à la température de fusion de l’alliage et il se forme un film instable de métal liquide de quelques centaines de microns d’épaisseur.
L’instabilité de ce film conduit à la formation de protubérances, puis de gouttes de métal liquide se détachant de l’extrémité...
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Intérêt de la refusion sous laitier
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SJÖQVIST PERSONN (E.), MITCHELL (A.) - Differences in inclusion morphology between ESR remelted steel with and without tracer in the slag. - In : Proceedings of the 2017 International Symposium on Liquid Metal Processing and Casting, Philadelphia (USA), p. 373 (2017).
-
(2) - REYES CARMONA (F.), MITCHELL (A.) - Deoxidation of ESR Slags. - ISIJ International, 32 (4), p. 529 (1992).
-
(3) - MITCHELL (A.) - Electrochemical aspects of the ESR process. - In : Proceedings of the 2015 International Symposium on Liquid Metal Processing and Casting, Leoben (Austria), p. 13 (2015).
-
(4) - UESUGI (T.) - Recent development of bearing steel in Japan. - In 73rd Assembly Chiba Institute of Technology, Narashino (Japan), p. 893 (1988).
-
(5) - WEBER (V.), JARDY (A.), DUSSOUBS (B.), ABLITZER (D.), HANS (S.), RYBÉRON (S.), SCHMITT (V.), POISSON (H.) - Intérêt de la refusion d’électrode consommable pour la maîtrise des structures de solidification. - In Matériaux 2006,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Liquid Metal Processing & Casting Conference – Conférence internationale sur les procédés de fusion et de métallurgie secondaire, a lieu tous les deux ans en alternance entre l’Europe et les États-Unis d’Amérique (années impaires).
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
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Société Innovative Research – Développe le logiciel MELTFLOW-ESR
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Société AUBERT & DUVAL
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